我手中的薄薄的金属条有8英寸长，1英寸宽，薄如铝箔。
“试着把它撕开，”加州理工学院帕萨迪纳分校的材料科学教授威廉·约翰逊说。
我拉——先是轻轻地，但很快就用尽全力。没成功。
“看看你能不能切开这个，”约翰逊的博士后助理杰森·康建议道，递给我一块同样光亮如镜的金属。它有一英寸长，四分之一英寸宽，比一角硬币还薄。我用一把重型钢丝钳向下压。金属切不断。我再试一次，用双手挤压，直到手指发痛。什么也没发生。
但这出戏中最令人惊叹的一幕还在后头。
“看，”约翰逊说。他从大约两英尺的高度将一个钢球扔到一块砖头大小的金属块上。球弹得又高又久——1分钟17秒，发出有节奏的滴答声，滴答声，滴答声——看起来很不真实，就像某种电影特效。“当你用普通钢材做这个实验时，它会发出‘砰，砰，砰’的声音然后停下来，”约翰逊说。如果金属粘在像混凝土这样的坚硬表面上（而不是放在约翰逊的橡木咖啡桌上，咖啡桌吸收了大部分能量），“球会弹跳两分钟以上，”他说，“我试过。”
这一切都令人震惊，却又莫名地熟悉。在典型的1950年代科幻电影中，总有这样一幕：科学家们从刚刚降落的飞碟中回来，告诉陆军高级官员，人类已知没有任何工具可以切割、燃烧、弯曲或以其他方式破坏飞碟的外壳。但我面前的金属显然是地球产物——它是在帕萨迪纳，具体来说，在约翰逊办公室走廊尽头的实验室里开发出来的。
它被称为金属玻璃，或非晶态金属，它似乎是一种全新的材料，可以用来制造更轻、更坚固的任何东西。“从艾布拉姆斯坦克到F-16喷气式飞机再到自行车，都可以用这种材料制造，因为它比传统合金强度高两到三倍，你可以将重量减半甚至更多。这不仅仅是进化，更是革命性的，”约翰逊说，“这是未来的结构材料。”
强度并非其唯一优点。它还可以像塑料一样成型。因此，不必费力地制造金属板，然后切割、加工和钻孔（比如汽车挡泥板，所有这些都会削弱部件），玻璃态金属挡泥板可以一次性注塑成型——这是一个突破。“能够像塑料零件一样铸造出高强度的东西，这是一个全新的发展，”斯坦福大学材料科学教授威廉·尼克斯说。他是Liquidmetal Technologies的顾问，该公司正试图将这种金属商业化。
更好的是，它可以很容易地制成泡沫。“对于大多数金属来说，这很难，因为气泡会浮到熔融金属的表面，”约翰逊说。非晶态金属在熔融时具有粘稠且类似塑料的特性，这使得它可以形成一个99%是空气但比聚苯乙烯坚固约100倍的泡沫板。由两片薄薄的非晶态金属夹着非晶态泡沫制成的夹层板将坚固、轻盈、隔热、防火、防虫、防锈、隔音，并且难以被炸弹穿透。这种板材可以用于建造建筑物、船体、飞机和汽车车身。
“玻璃态金属将超越金属和塑料，”康说，他抬起头，离开了等离子弧熔炉，他在那里锻造新配方。当被问及他的目标是否是取代这两种材料——这涵盖了很大范围——他笑了。“这就是我们的目标，”他说。
但金属玻璃有一个巨大的问题——它很昂贵。第一种商业化的注塑成型形式的制造成本约为每磅15美元，而铝约为每磅1美元，钢约为每磅25美分。约翰逊、康和其他研究人员正在研究使用更便宜成分的变体。“我认为我们可以制造出一种可行的非晶态钢产品。我会说这是一个很可能的发展，”约翰逊说。他表示，最终，它的成本可能与普通钢材一样，每磅25美分。“那将改变一切，”他说。
然而，基础材料的根本性转变并非一蹴而就。即使大块金属玻璃变得便宜，世界各地的金属加工厂也需要彻底改造以适应它们。德克萨斯农工大学的机械工程教授特德·哈特维格一直在参与一个美国陆军项目，开发大口径非晶态合金弹药，他建议要有耐心。“还记得1970年代，大家都在预测我们会有陶瓷发动机吗？它们现在在哪里？”
金属玻璃听起来是个矛盾修饰。即使是化学知识匮乏的人也知道金属和玻璃的原子结构截然不同。熔融金属具有非晶态或随机的原子结构，但其原子在金属冷却和凝固时会迅速聚集成晶格。熔融玻璃也是非晶态的，但其结晶速度极其缓慢。因此，即使熔融玻璃缓慢冷却并硬化，它也会以非晶态凝固。玻璃实际上是一种凝固的液体。
因此，金属是金属，玻璃是玻璃，直到1950年代早期，德国科学家通过以每秒约1万亿华氏度的速度快速冷却汽化锡和铅，制造出非晶态金属。这种速度将混乱的原子固定在原位，使它们没有机会形成晶体。但这些金属的厚度不到铝箔的百分之一，“而且它们在加热到零下40华氏度时又会结晶，”约翰逊说，“目标不是制造任何实用的东西。它是由对如何避免结晶的科学好奇心驱动的。”
下一个突破发生在1959年，当时加州理工学院的比利时裔材料科学家波尔·杜威兹（Pol Duwez）利用快速冷却技术，制造出一种在室温下仍保持非晶态的金硅合金。这是第一种真正的金属玻璃。同样，它只是一种薄如蝉翼的薄膜，因为任何更厚的东西都无法足够快地冷却，以“阻止结晶”，正如材料科学家所说。
到1990年，日本研究员井上明久和他在东北大学的团队，在哈佛大学研究员大卫·特恩布尔的理论基础上，开始铸造厚度达四分之一英寸的金属玻璃。他们发现，通过使用三种或更多种原子尺寸差异至少12%的元素，他们可以制造出“块状”金属玻璃。符合这些条件的合金根据所谓的混乱原理凝固：原子半径差异大和不同元素数量多会“迷惑”原子，使它们在冷却时不知道去哪里形成晶体。
威廉·约翰逊登场。
他55岁，说话温和，和蔼可亲，但内心深藏着一股隐秘的强烈。“一旦我开始，我可能会有点势不可挡，”他说，看着他用几句快速的话指挥研究生，很明显谁是他的实验室负责人。作为一个在俄亥俄州保龄格林长大的好奇少年，他想成为一名粒子物理学家，解开宇宙中扭曲的奥秘。但在加州理工学院，他遇到了古怪的物理天才理查德·费曼。“费曼给我上了一堂长课，告诉我如果他像我一样年轻，他会寻找其他物理领域，因为高能物理领域太拥挤了。”约翰逊天生务实，他已经开始思考是否真的可以用原子制造出一些东西，而不是仅仅在线性加速器的板上费力地研究它们构成粒子的幽灵般痕迹。
“结果发现材料科学领域有个叫波尔·杜威兹的人正在制造非晶态金属，”约翰逊说。他被吸引了，于1970年加入了杜威兹的实验室，开始了对这种奇特材料的毕生研究。
即便那时，金属玻璃具有实用而又超凡脱俗的特性已变得清晰。杜威兹已经制造出极“软”的磁铁，这意味着它们的南北极可以轻松翻转。
“有人意识到，如果把它们放入变压器铁芯中，可以减少多达50%的传输损耗，”约翰逊说。盟军信号公司在1970年代就开始这样做，制造薄片快速冷却的非晶态金属，然后将其卷成铁芯。“今天，当你开车在路上看到电线杆上挂着一个变压器桶时，那里面装满了非晶态金属，”约翰逊说，“所以它已经悄然存在于世界上了。”
真正让约翰逊兴奋的是厚非晶态金属或块状非晶态金属的潜力。对薄带的分析表明，一块足够厚、可以成型为结构形状的重材料将是地球上前所未见的。传统金属会凹陷、撕裂和生锈，因为存在晶界和位错等缺陷，其中晶体被推出对齐位置，并为氧化提供了入口。非晶态金属没有会受此类缺陷影响的晶体，因此具有弹性、极强的强度和耐腐蚀性。但真正的厚金属，即质量相对于表面积很小的金属，将几乎不需要或完全不需要快速冷却。
“多年来，人们认为只能通过快速冷却来制造非晶态金属，”约翰逊说，“甚至日本人也在用它来制造更厚的金属。但也许这并非必不可少。”
约翰逊与研究生阿塔坎·佩克尔合作，专注于一种含有五种元素的合金：锆、钛、镍、铜和铍。从1992年1月开始，佩克尔每天耐心混合这些不同数量的金属。十个月后，他成功了。“阿塔坎走进来，说，‘我熔化了合金，当它冷却下来时，我认为它是非晶态的，’”约翰逊回忆道。
没有低温，没有花哨的冷却策略。这种材料冷却到室温，凝固成玻璃状，并具有典型的镜面光洁度。“那是一个转折点，”约翰逊说，他的目光因美好的回忆而变得遥远。“结晶速度比我们见过的任何东西都慢了几个数量级。我们后来发现，这种材料是如此好的玻璃形成剂，我们可能可以把它做得两英寸厚！”
接下来的六个月里，约翰逊和佩克尔用不同含量的这些元素制作了“几百种”玻璃态合金，最终得到了一种特别有前途的版本，他们称之为Vitreloy。事实证明，它正如约翰逊预测的那样令人惊叹。世界上常用最坚固的钛合金，制成一英寸直径的杆，可以吊起175,000磅。同样大小的Vitreloy杆可以吊起300,000磅。
然而，它有一个主要的弱点。纯粹的Vitreloy有一种讨厌的倾向，会像玻璃一样碎裂。“使用高尔夫发球杆时，几次击打后就会形成裂缝，最终球杆碎片会四处飞散，”约翰逊张开双臂，示意球杆面爆炸。材料科学家称之为灾难性剪切失效。传统金属不会出现这种情况，因为晶体位错会在裂纹尖端周围聚集，使周围区域更坚固。“这种材料需要的是像普通金属那样优雅地失效的能力，”约翰逊说。
2000年，约翰逊和他的团队研制出了Liquidmetal2，它将玻璃态金属的强度和弹性与普通金属的优雅失效结合在一起。它含有80%的玻璃和20%的晶体。这些晶体就像老式石膏中的马鬃，交叉增强了易裂的非晶态金属。“现在我拥有了与现有最佳合金相当的韧性和抗冲击性，并且强度是其两到三倍，”约翰逊说，“现在我真正拥有了一些东西。”
约翰逊的办公桌上堆满了闪闪发光的零件和小玩意儿：手机壳、相机机身、高尔夫球头、折叠刀以及看起来很吓人的三英寸长的炮弹。所有这些都是由Liquidmetal Technologies公司制造的。该公司成立于1987年，总部位于加利福尼亚州莱克福雷斯特，在韩国平泽设有一家制造工厂，是全球第一家商业化的块状金属玻璃产品制造商，目前正为美国军方和私营公司开展约十二个试点项目。“事情很忙，”约翰逊说。
尽管这种材料价格昂贵，但Liquidmetal公司却通过将其喷涂在更便宜的金属上，实现了蓬勃发展，瞬间让锅炉、油井钻头和其他工业部件变得更加耐用和光滑。“我们燃煤锅炉的省煤器管每六个月就会腐蚀并爆裂，”北卡罗来纳州夏洛特市Cogentrix能源公司的维护主管约翰·伯格说。但在1992年用Liquidmetal喷涂管内壁后，“它仍然在那里，我们几乎没有出现任何泄漏。”
同时，Liquidmetal高尔夫球杆自1998年上市以来，已售出约4万支发球杆。这些球杆利用了非晶态合金惊人的弹性，即材料科学家所说的高弹性应变极限。在严重应力下，大多数材料会永久变形。
用典型钛合金发球杆击打高尔夫球会在杆面上形成一个微小的永久凹痕，这会从球中夺走能量。但金属玻璃杆面像蹦床一样弯曲，然后完全弹回，将所有势能返回给球，为职业选手增加多达30码的击球距离。
去年推出的Liquidmetal网球拍框，被安德烈·阿加西和其他职业选手使用，也具有类似的优点。“你从球拍中得到的反应是纯粹的……与球接触时没有能量损失，”美国网球协会纽约法拉盛草原国家中心的网球总监比尔·芒特福德说。
上方：典型的两元素合金由铁原子（红色球体）和硼原子（蓝色球体）组成，它们在冷却时自然形成晶体结构。原子之间重复的空间是晶界。晶体可以在这些晶界之间移动，从而导致氧化和变形。
上方：引入原子半径截然不同的第三种元素，例如此处的大钇原子（黄色球体），会阻碍合金的结晶趋势，使其凝固成类似于玻璃的随机或无定形图案。这种原子动力学可以通过计算机模拟，从而免去研究人员在寻找有前途的非晶态金属过程中无休止的试错。更多成果即将问世。人造髋关节和膝关节、用于手机、PDA和笔记本电脑的超轻外壳以及不钝化的手术刀都在开发中。这种材料成本高昂，但公司可以收回部分开支，因为它在凝固时收缩远小于传统金属，这意味着几乎不需要或根本不需要后期成型加工。例如，非晶态手术刀从模具中取出时已经很锋利，而传统手术刀则需要额外的磨砺步骤。而且非晶态刀片能保持锋利，约翰逊笑着说。“一家大型剃须刀公司的家伙一直给我打电话，但我还没来得及回电。坦白说，我认为他们不想要非晶态剃须刀——它们会保持锋利一年。”
在军事方面，陆军正在测试一种名为动能穿甲弹的穿甲弹，供地面攻击机和装甲车辆使用，而海军正在评估轻型非晶态合金破片炸弹。但价格仍然是一个障碍。“目前看来，这些材料的成本会相当高，不具竞争力，”陆军马里兰州阿伯丁试验场的陆军研究实验室材料工程师罗伯特·道丁说。他说非晶态金属昂贵的一个主要原因是其组成金属需要纯净：“混合物中少量的氧或碳会导致结晶”并破坏合金。
但其他研究人员也在这方面取得了进展。“在混合物中加入某些稀土元素会吸附杂质，”威斯康星大学麦迪逊分校的材料科学与工程教授约翰·佩雷佩斯科说。这些元素允许在非晶态合金中使用商业级金属，这可以显著降低成本。
只要Liquidmetal2等非晶态合金每磅售价15美元，它们就仍将是“精品金属”，约翰逊说，仅用于相对小批量的利基应用。但弗吉尼亚大学的材料物理学家约瑟夫·普恩已经创造出玻璃态不锈钢的实验室样品，这可能推动非晶态金属走向普及。他没有透露具体成分，但表示，“我们已经将其制成约一厘米厚。商业成本将与最高级别的不锈钢大致相同，每磅两到三美元。”这种材料将是迄今为止制造出的最坚固的金属；一英寸直径的杆可以吊起550,000磅。普恩说，下一步是设计一种含有晶体的混合版本，以解决灾难性剪切失效问题。
“我们所取得的进展令我震惊，”国防高级研究计划局（DARPA）结构非晶态金属项目负责人利奥·克里斯托杜卢说，该项目为普恩和约翰逊的大部分工作提供资金。当该项目于2000年启动时，非晶态钢达到的最大厚度约为千分之一英寸。
普恩说，原子建模将带来下一个突破。寻找有前景的合金的传统方法是简单地在实验室中进行一次又一次的混合，普恩称这种开发技术为“打字机上的猴子”。但对各种元素组合的原子行为进行计算机建模正在迅速发展。“原子建模将帮助我们找到最适合集中合金设计工作的‘甜点’，”普恩说。
回到帕萨迪纳，约翰逊办公室走廊尽头，杰森·康正在钛锆基非晶态合金领域（类似于Liquidmetal2）研究这个“甜点”。他每天将豌豆大小的金属块放入小坩埚中，然后用电弧将其加热到约3,000°F，制成合金。如果凝固后的金属“纽扣”像镜子一样反光，他会立即知道自己制造出了玻璃。表面反光的原因与液体表面反光的原因相同——非晶态原子形成光滑的表皮，均匀反射光线。“这就是为什么铸造后无需加工，”康深情地凝视着它说，“它就是这样从模具中出来的。”
约翰逊希望世界各地的工程师和建筑师最终能够从种类繁多的非晶态金属中进行选择，并且灾难性剪切失效问题能够得到全面解决。届时将有廉价、丰富的玻璃态钢，金属加工厂也将进行改造以利用这种材料的优势。第一个达到这种幸福状态的国家将拥有更环保、更安全的车辆，更好的住宅和建筑，更强大的武器和更坚固的防御，更高效的工业，甚至更成功的高尔夫球手、击球手和网球运动员。“我认为我们能做到，”约翰逊看着眼前堆积的零碎物品说，“我认为所有金属最终都将是玻璃态的。未来将非常美好。”
